一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统
技术领域
本实用新型涉及燃煤锅炉节能减排技术领域，尤其涉及一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统。
背景技术
生物质能源用于发电和冶金行业以作为煤的替代燃料，主要利用方式有固体燃料直接燃烧以及与煤粉的掺烧，其次利用较多的为采用气化技术生产生物质燃气与煤粉掺烧。生物质固体燃料的直接燃烧以及与煤粉进行掺烧时，多将固体生物质燃料像原煤一样经过研磨、破碎处理，再进行干燥后通入锅炉内燃烧放热。但这种直燃生物质燃料的方式对锅炉型式要求较高，这是由于生物质种类的多样性，其自身热值以及细化程度也会有所变动，直燃生物质燃料的锅炉对负荷调节的能力较强。虽然有不少实例表明，固体生物质的燃烧可以在一定程度上减少煤耗以及污染物NOx的排放，但是其在燃烧过程中也会造成锅炉的结焦、结渣以及磨损等现象，使锅炉设备的维护成本加大，再加上生物质固体燃料的季节性和区域性差异，使得这一清洁能源也只能在特定某一时期得到集中利用，终归会对工业锅炉负荷的调节带来不利影响。
一直以来，固体燃料的气化工艺不断发展，它们的气化产物热量的连续性和可测量性是气化工艺区别于原燃料最大的特点。近年来，生物质固体燃料的气化热解也开始应用于工业生产实践中，有研究表明，生物质燃气的燃烧比生物质固体燃料直燃燃烧效率更高。而生物质燃气的热值可测量性和易存储性使得在电厂调峰时并不会受到负荷变化的冲击。本实用新型提供了一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统，在对现有技术中的燃煤锅炉不做出改变的情况下，保证生物质能源的高效利用的同时精确控制减少污染物NOx的排放。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统，在对现有技术中的燃煤锅炉不做出改变的情况下，保证生物质能源的高效利用的同时精确控制减少污染物NOx的排放。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统，应用在燃煤锅炉的主燃区进风侧，包括气化装置、取样装置和流量控制装置，生物质固态燃料和气化剂在所述气化装置内产生生物质燃气，所述生物质燃气通过管道连通到所述流量控制装置，所述流量控制装置输出所述生物质燃气到所述主燃区的周界风口进行掺燃，所述取样装置设置在所述气化装置和流量控制装置之间的管道上取样检测所述生物质燃气。
进一步的，所述气化装置和取样装置之间还依次设置有净化装置、换热装置和储气罐，所述净化装置用于去除所述生物质燃气的灰尘和焦油，所述换热装置用于降低所述生物质燃气的温度，所述储气罐用于存储所述生物质燃气。
进一步的，所述净化装置具体采用静电旋风除焦器和除尘器，所述净化装置底部设置有用于收集焦油和灰尘的收集器。
进一步的，所述换热装置的冷媒为所述燃煤锅炉二次风，冷却过程中对二次风进行预热。
进一步的，所述储气罐上设置有温控仪表。
进一步的，所述流量控制装置包括依次管道连通的阀门和流量计，所述阀门具体采用流量控制阀，所述流量计具体采用转子流量计。
与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果：
本实用新型一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统，通过在主燃区的周界风口喷入气化装置产生的生物质燃气，生物质燃气经过取样装置进行取样检测，开展燃气的成分测定及热值分析。对给定燃煤锅炉的额定工况下纯煤粉燃烧进行热力计算，得到该工况下炉膛输入总热量以及风煤参数。在保证输入炉膛总热量不变的条件下，根据锅炉所燃煤样的成分，根据上述的生物质燃气成分测定及热值分析结果，开展掺烧生物质燃气工况的热力计算，得到生物质燃气的掺烧体积流量。因此可以得到精确的生物质燃气的掺烧体积流量，有利于生物质能源的高效利用和减少污染物NOx的排放。生物质燃气从周界风口的高速通入，可以起到周界风的作用，即增加一次风气流的刚度防止气流偏斜，冷却一次风喷口的同时，起到助燃和还原污染物NOx的作用。
此外，通过静电旋风除焦器和除尘器组合的净化装置能够有效去除所述生物质燃气中的焦油和灰尘，避免焦油掺燃产生环境污染，避免灰尘积累堵塞管道，通过收集器的设置便于定期集中处理废弃物；通过所述风冷式换热器的设置，对高温的所述生物质燃气进行降温的同时可以对二次风进行预热，提高了余热利用，节约了能源；通过温控仪表的设置，便于对储气罐内的所述生物质燃气的温度进行控制。通过阀门和流量计的设置，便于根据热力计算得到的生物质燃气的掺烧体积流量进行控制，便于精确控制。
附图说明
下面结合附图说明对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统的结构示意图；
图2为本实用新型的主燃区进风部位结构示意图；
图3为本实用新型的掺燃工艺流程示意图；
附图标记说明：1、生物质固体燃料；2、气化剂；3、气化装置；4、净化装置；5、收集器；6、储气罐；7、温控仪表；8、取样装置；9、阀门；10、流量计；11、二次风口；12、一次风口；13、二次风箱；14、燃尽风口；15、主燃烧区；16、燃尽区；17、周界风口。
具体实施方式
本实用新型的核心是提供一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统，在对现有技术中的燃煤锅炉不做出改变的情况下，保证生物质能源的高效利用的同时精确控制减少污染物NOx的排放。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参考附图，图1为本实用新型掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统的结构示意图；图2为本实用新型的主燃区进风部位结构示意图；图3为本实用新型的掺燃工艺流程示意图。
在一具体实施方式中，如图1和图2所示，一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统，应用在燃煤锅炉的主燃区15进风侧，包括气化装置3、取样装置8和流量控制装置，生物质固态燃料1和气化剂2在气化装置3内产生生物质燃气，生物质燃气通过管道连通到流量控制装置，流量控制装置输出生物质燃气到主燃区15的周界风口17进行掺燃，取样装置8设置在气化装置3和流量控制装置之间的管道上取样检测生物质燃气。
通过在主燃区15的周界风口17喷入气化装置3产生的生物质燃气，生物质燃气经过取样装置8进行取样检测，开展燃气的成分测定及热值分析。对给定燃煤锅炉的额定工况下纯煤粉燃烧进行热力计算，得到该工况下炉膛输入总热量以及风煤参数。在保证输入炉膛总热量不变的条件下，根据锅炉所燃煤样的成分，根据上述的生物质燃气成分测定及热值分析结果，开展掺烧生物质燃气工况的热力计算，得到生物质燃气的掺烧体积流量。因此可以得到精确的生物质燃气的掺烧体积流量，有利于生物质能源的高效利用和减少污染物NOx的排放。
因为生物质固体燃料的气化产物生物质燃气单位体积热值较煤粉低得多，加上掺烧工况下的热量比例较小(5％～20％)，使得相同面积的燃煤一次风喷口势必要有很高的流速，而周界风作为从二次风箱分离出的一部分二次风，流速普遍比煤粉射流要高得多，通常为30～40m/s，通入周界风口7的生物质燃气速度与周界风流速相差很小，并不会对炉膛内的速度场造成冲击，温度场的变化也会较小。因此生物质燃气从周界风口7的高速通入，可以起到周界风的作用，即增加一次风气流的刚度防止气流偏斜，冷却一次风喷口的同时，起到助燃和还原污染物NOx的作用。
在本实用新型的一具体实施方式中，如图1所示，气化装置3和取样装置8之间还依次设置有净化装置4、换热装置和储气罐6，净化装置4用于去除生物质燃气的灰尘和焦油，换热装置用于降低生物质燃气的温度，储气罐6用于存储生物质燃气。
具体而言，净化装置4具体采用静电旋风除焦器和除尘器，净化装置4底部设置有用于收集焦油和灰尘的收集器5，定期对收集器5内的焦油和灰尘进行处理，避免了环境污染。
具体而言，换热装置具体采用风冷式换热器，所述换热器的冷媒为燃煤锅炉二次风，冷却过程中对二次风进行预热。
具体而言，储气罐6的灌顶上安装有温控仪表7。
通过静电旋风除焦器和除尘器组合的净化装置4能够有效去除所述生物质燃气中的焦油和灰尘，避免焦油掺燃产生环境污染，避免灰尘积累堵塞管道，通过收集器5的设置便于定期集中处理废弃物；通过所述风冷式换热器的设置，对高温的所述生物质燃气进行降温的同时可以对二次风进行预热，提高了余热利用，节约了能源；通过温控仪表7的设置，便于对储气罐6内的所述生物质燃气的温度进行控制。
在本实用新型的一具体实施方式中，如图1所示，流量控制装置包括依次管道连通的阀门9和流量计10，阀门9具体采用流量控制阀，流量计10具体采用转子流量计。
通过阀门9和流量计10的设置，便于根据热力计算得到的生物质燃气的掺烧体积流量进行控制，便于精确控制。
一种掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统的掺燃工艺，如图3所述，利用上述的掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统对燃煤锅炉进行生物质燃气掺燃，其具体工作步骤包括：
第一步，生物质固体燃料1和气化剂2按照一定比例投入气化装置3内，在气化剂2的作用下，生物质固体燃料1在一定温度和压力条件下进行热解气化。气化的产物为初级生物质燃气，初级生物质燃气在净化装置4中进行净化处理，在换热装置中降温处理，处理后的生物质燃气被贮存在储气罐6中。随后开启取样阀门后，使用取样装置8抽出储气罐6中的少量燃气开展燃气的成分测定及热值分析；
第二步，对燃煤锅炉的额定工况下纯煤粉燃烧进行热力计算，得到该工况下炉膛输入总热量以及风煤参数。在保证输入炉膛总热量不变的条件下，根据锅炉所燃煤样的成分，也根据第一步中生物质燃气成分测定及热值分析结果，开展掺烧生物质燃气工况的热力计算，得到生物质燃气的掺烧体积流量；
第三步，进行生物质燃气的掺烧工况时，将周界风口17作为生物质燃气的喷入口，阀门9和流量计10用以调节生物质燃气的进口流量。在主燃烧区15，一次风口12进风与煤粉混合后进行剧烈燃烧，从周界风口17通入的生物质燃气与高温燃烧的煤粉进行混合，一方面作为输入燃料燃烧放热，另一方面燃气组分中的还原性气体与主燃烧区15内产生的NOx发生反应，将NOx还原为N2。此外，在主燃烧区15上方燃尽区16，在燃尽风口14进风的作用下使得未燃尽的煤粉进一步燃烧，并使NOx进一步降低。
第一步中气化剂2选取空气、水蒸汽或氧气等，生物质固体燃料1与气化剂2按照一定比例进行反应会生成烷烃，氢气以及一氧化碳等可燃气体，气化产物温度一般在700℃～900℃。生物质燃气的主要成分包括CH4、H2、CO、N2以及CO2等，其中CH4、H2和CO的含量占40％～60％。
第一步中，换热装置使生物质燃气温度降至合适范围300℃～400℃左右，即生物质燃气温度与二次风热风温度相近。
第二步中，掺烧生物质燃气工况的热力计算，掺烧所述生物质燃气工况的热力计算，包括如下公式：
掺烧生物质燃气时体积流量为：
式中：γ为生物质燃气产热量与输入锅炉总热量之比，取5％～20％；Q为输入炉膛的总热量，kJ/s；Qv为生物质燃气的体积热值，kJ/m3；Vg为掺烧时所需的生物质燃气体积流量，m3/s。
生物质燃气的速度为：
式中：Vg为生物质燃气入口速度，m/s；S为生物质燃气喷口总面积，m2。
即在不改变或小幅调整周界风口17尺寸的条件下，通过生物质燃气的成分及热值，综合考虑周界风口17设计风速合理选取生物质燃气喷入速度。减少一次风口12入风比率，适当调整燃尽风口14、二次风口11等入风的比率，使得主燃烧区15内各燃烧器喷口的速度变化在合理范围内。生物质燃气的掺混比例取5％～20％最为合适。
此外，对所述燃煤锅炉的排放烟气进行抽样检测，根据尾气成分分析可以调整所述生物质燃气的掺燃流量，进一步减少排放尾气的污染物含量，提高燃料利用效率。
本实用新型掺燃生物质燃气的燃煤锅炉系统，通过在主燃区15的周界风口17喷入气化装置3产生的生物质燃气，生物质燃气经过取样装置8进行取样检测，开展燃气的成分测定及热值分析。对给定燃煤锅炉的额定工况下纯煤粉燃烧进行热力计算，得到该工况下炉膛输入总热量以及风煤参数。在保证输入炉膛总热量不变的条件下，根据锅炉所燃煤样的成分，根据上述的生物质燃气成分测定及热值分析结果，开展掺烧生物质燃气工况的热力计算，得到生物质燃气的掺烧体积流量。因此可以得到精确的生物质燃气的掺烧体积流量，有利于生物质能源的高效利用和减少污染物NOx的排放。生物质燃气从周界风口7的高速通入，可以起到周界风的作用，即增加一次风气流的刚度防止气流偏斜，冷却一次风喷口的同时，起到助燃和还原污染物NOx的作用。此外，通过静电旋风除焦器和除尘器组合的净化装置4能够有效去除所述生物质燃气中的焦油和灰尘，避免焦油掺燃产生环境污染，避免灰尘积累堵塞管道，通过收集器5的设置便于定期集中处理废弃物；通过所述风冷式换热器的设置，对高温的所述生物质燃气进行降温的同时可以对二次风进行预热，提高了余热利用，节约了能源；通过温控仪表7的设置，便于对储气罐6内的所述生物质燃气的温度进行控制。通过阀门9和流量计10的设置，便于根据热力计算得到的生物质燃气的掺烧体积流量进行控制，便于精确控制。生物质燃气的主要成分包括CH4、H2、CO、N2以及CO2等，其中CH4、H2和CO的含量占40％～60％，便于准确测定其成分信息及热值大小，换热装置使生物质燃气温度降至合适范围300℃～400℃，即生物质燃气温度与二次风热风温度相近不会对主燃区15炉膛造成冲击，有利于燃烧稳定。
以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
